CN106268892B - 用于co加氢制c2含氧化合物的催化剂及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
一种用于CO加氢制C2含氧化合物新型高效催化剂及其制备方法。其中催化剂由活性组分和载体组成。载体为多孔性SiC,活性组分为低含量的Rh,以及Mn,Li等助剂。采用浸渍法制得催化剂前驱体,再经烘干和焙烧后制得最终催化剂,使用前进行还原活化。在固定床反应器中,在适当的温度、压力和本催化剂的作用下进行CO加氢制取C2含氧化合物的反应。
Description
技术领域
本发明涉及一种CO加氢制C2含氧化合物的新型、高效和低Rh载量催化剂及其制备方法,具体地涉及以高表面积的商品SiC,经适当处理后,用作催化剂载体,再采用浸渍法制备低载量Rh催化剂,同时添加Mn,Li作为助剂调变其催化性能。该催化剂用于CO加氢制C2含氧化合物的反应中。
技术背景
随着粮食供应的日趋紧张和石油资源的日益枯竭,由煤、天然气或生物质出发经合成气制取乙醇等C2含氧化合物具有重要的意义。在现有技术中,以Rh基催化剂的效率最为突出,也最有可能实现工业化。然而现有催化体系仍存在活性不够高,且Rh资源有限、价格昂贵。因此,必须极大提高Rh催化效率和降低Rh用量,才能极大推动该过程的工业化进程。研究表明,载体材料的选择对提高Rh基催化剂性能具有至关重要的影响。所以,人们对氧化铝、分子筛、氧化钛、氧化硅等载体材料进行了广泛而深入的研究,其中以硅胶负载的Rh-Mn-Li的催化性能最好;但Rh载量基本在1%以上,Rh效率最高可达47g/g-Rh/h。同时,以硅胶做载体,还存在机械强度不够高,使用时容易破碎,造成床层压降大;水热稳定性较低,在工业化生产过程中,容易造成催化剂使用周期缩短。另外,研究发现,大孔载体比较适合该催化反应的进行,而硅胶的平均孔径很难超过20nm。
β型SiC的比表面积虽然不高,但具有高度的化学稳定性和水热稳定性,比硅胶高得多的机械强度和导热性能,可避免载体破碎和床层飞温;使用后催化剂用酸清洗即可分别回收金属组分和SiC;同时它还具有相当比例的大孔,有利于催化反应的传质。因而,SiC是个极有潜力的Rh基催化剂载体。目前已报道用作反应放热量大的催化剂载体,如H2S氧化,费托合成,重整,等等,它可以有效移除反应产生的大量的热量,避免催化剂飞温失活,特别是对于CO加氢这种放热量大的反应尤其显得意义重大。
因此,本发明则采用β型SiC为载体,经适当处理后,用于负载低载量的Rh催化剂,Rh含量仅为0.2-0.5%,并辅以适量Mn,Li助剂,用于CO加氢反应中,发现该催化剂具有非常的催化效率,Rh效率可达90g/g-Rh/h以上。本发明主要为低Rh载量高效合成气制C2含氧化合物催化剂的设计和制备提供一个新思路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CO加氢制C2含氧化合物的新型高效Rh基催化剂及其制备方法。
为实现上述目的,催化剂由活性组分Rh,助剂Mn,Li和载体SiC组成,其中Rh含量仅为0.2-0.5%,Mn含量0.2-0.8%,Li含量0.01-0.03%;载体为纯的或掺杂氧化物的SiC。
本发明提供制备上述催化剂的方法之一如下:(1)将商用或自制的多孔性SiC用稀HNO3或HCl水溶液处理,其浓度为5-20%,温度60-100℃,时间1-10h;(2)将SiC烘干,温度80-120℃,时间1-24h;(3)按负载量配制RhCl3,MnCl2,LiCl混合水溶液,加入处理好的SiC浸渍,室温晾干后,于80~120℃干燥1~24h,300~500℃焙烧1~10h,制备得到催化剂。
本发明提供制备上述催化剂的方法之二如下:(1)将多孔性SiC用稀HNO3或HCl水溶液处理,其浓度为5-20%,温度60-100℃,时间1-10h;(2)将SiC烘干,温度80-120℃,时间1-24h,然后在500-1000℃焙烧2-8h;(3)按负载量配制RhCl3,MnCl2,LiCl混合水溶液,加入处理好的SiC浸渍,室温晾干后,于80~120℃干燥1~24h,300~500℃焙烧1~10h,制备得到催化剂。
本发明提供制备上述催化剂的方法之三如下:(1)将多孔性SiC在500-1000℃焙烧2-8h;(2)按负载量配制RhCl3,MnCl2,LiCl混合水溶液,加入处理好的SiC浸渍,室温晾干后,于80~120℃干燥1~24h,300~500℃焙烧1~10h,制备得到催化剂。
本发明提供制备上述催化剂的方法之四如下:(1)按上述三种方式之一处理的多孔性SiC;(2)按负载量配制RhCl3,MnCl2,LiCl混合乙醇溶液,加入处理好的SiC浸渍,室温晾干后,于80~120℃干燥1~24h,300~500℃焙烧1~10h,制备得到催化剂。
催化剂使用前进行还原活化。还原条件为:还原气体为含氢混合气,氢含量为10~100%,含氢混合气中其它气体为氮气或氩气,温度为200~500℃,压力为0.1~1MPa,空速为500~5000h-1,时间为2~48h。
本发明所涉及的CO加氢反应采用常规的固定床反应器。反应温度280~330℃、反应压力1~5.0MPa、气体空速2000-15000h-1。
本发明提供了一种新型的低Rh载量(0.2-0.5%)催化剂,它可催化CO加氢反应生成C2含氧化合物,Rh效率可达90g/g-Rh/h,远高于文献报道值;其中C2含氧化合物选择性为60%左右。这为开发出实用性低Rh含量催化剂,大大降低催化剂成本提供有益参考。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明:
实施例1
称取10g SiC(SICAT公司提供,26m2/g),加入到盛有100ml稀硝酸水溶液(10%)的烧杯中,加热至沸腾并保持3h,期间不断用玻璃棒搅拌以防暴沸。然后用去离子水洗至PH=7-8。所得固体于110℃干燥过夜。称取所得样品2.0g,加入到含有一定量RhCl3,MnCl2,LiCl的混合水溶液,晾干后,110℃干燥4h,350℃焙烧4h,所得催化剂记为A。催化剂组成Rh0.5wt%;Mn 0.5wt%;Li 0.02wt%.
CO加氢反应在固定床不锈钢反应器(id=10mm)中进行,催化剂用量1.0ml。反应前催化剂于330℃用5NL/h的纯H2还原1h。然后将反应器降至305℃,切换为合成气(H2/CO=2),流量5L/h,升压至5.0Mpa。反应稳定后,用水吸收反应4h所产生的产物,放样分析,未吸收的气相产物在线分析。按下述方法计算CO转化率、时空收率和产物选择性。反应结果见表1
产物选择性Si=(Ai·Fi·Ci)/∑(Ai·Fi·Ci)×100%(以C数计算的百分数)
CO转化率=∑(Mi×Ci)/MCO×100%
时空收率STY=生成C2 +含氧化合物重量/反应时间/催化剂重量
其中:Ai:产物i的色谱峰面积;Fi:产物i的克分子校正因子;
Ci:产物i所含碳数;Mi:产物i的摩尔数;
MCO:原料气中CO的摩尔数。
实施例2
称取10g SiC(SICAT公司提供,26m2/g),加入到盛有100ml稀盐酸水溶液(5%)的烧杯中,加热至沸腾并保持3h,期间不断用玻璃棒搅拌以防暴沸。然后用去离子水洗至PH=7-8。所得固体于110℃干燥过夜,950℃焙烧6h。称取所得样品2.0g,加入到含有一定量RhCl3,MnCl2,LiCl的混合水溶液,晾干后,110℃干燥4h,350℃焙烧4h,所得催化剂记为B。催化剂组成Rh 0.5wt%;Mn 0.5wt%;Li 0.02wt%.
催化剂的评价同实施例1,反应结果见表1。
实施例3
称取10g SiC(SICAT公司提供,26m2/g),加入到盛有100ml稀硝酸水溶液(20%)的烧杯中,加热至沸腾并保持3h,期间不断用玻璃棒搅拌以防暴沸。然后用去离子水洗至PH=7-8。所得固体于110℃干燥过夜,500℃干焙烧3h。称取所得样品2.0g,加入到含有一定量RhCl3,MnCl2,LiCl的混合乙醇溶液,晾干后,110℃干燥4h,350℃焙烧4h,所得催化剂记为C。催化剂组成Rh 0.5wt%;Mn 0.5wt%;Li 0.02wt%.
催化剂的评价同实施例1,反应条件:290℃,5000h-1,5.0MPa,反应结果见表1。
实施例4
将10g Ti改性的SiC(SICAT公司提供,26m2/g)于950℃焙烧4h。称取所得样品2.0g,加入到含有一定量RhCl3,MnCl2,LiCl的混合乙醇溶液,晾干后,110℃干燥4h,350℃焙烧4h,所得催化剂记为D。催化剂组成Rh 0.5wt%;Mn 0.5wt%;Li 0.02wt%.
催化剂的评价同实施例1,反应结果见表1。
实施例5
称取10g Ti改性的SiC(SICAT公司提供,26m2/g),加入到盛有100ml稀硝酸水溶液(10%)的烧杯中,加热至沸腾并保持3h,期间不断用玻璃棒搅拌以防暴沸。然后用去离子水洗至PH=7-8。所得固体于110℃干燥过夜。称取所得样品2.0g,加入到含有一定量RhCl3,MnCl2,LiCl的混合水溶液,晾干后,110℃干燥4h,300℃焙烧6h,所得催化剂记为E。催化剂组成Rh 0.2wt%;Mn 0.3wt%;Li 0.01wt%.
催化剂的评价同实施例1,反应结果见表1。
实施例6
称取10g Ti改性的SiC(SICAT公司提供,26m2/g),加入到盛有100ml稀盐酸水溶液(10%)的烧杯中,加热至沸腾并保持1h,期间不断用玻璃棒搅拌以防暴沸。然后用去离子水洗至PH=7-8。所得固体于110℃干燥过夜,850℃焙烧6h。称取所得样品2.0g,加入到含有一定量RhCl3,MnCl2,LiCl的混合乙醇溶液,晾干后,110℃干燥4h,350℃焙烧4h,所得催化剂记为F。催化剂组成Rh 0.5wt%;Mn 0.5wt%;Li 0.02wt%.
催化剂的评价同实施例1,反应结果见表1。
实施例7
称取10g SiC(SICAT公司提供,26m2/g),加入到盛有100ml稀盐酸水溶液(10%)的烧杯中,加热至沸腾并保持1h,期间不断用玻璃棒搅拌以防暴沸。然后用去离子水洗至PH=7-8。所得固体于110℃干燥过夜,750℃焙烧5h。称取所得样品2.0g,加入到含有一定量RhCl3,MnCl2,LiCl的混合水溶液,晾干后,110℃干燥4h,350℃焙烧4h,所得催化剂记为G。催化剂组成Rh 0.2wt%;Mn 0.2wt%;Li 0.01wt%.
催化剂的评价同实施例1,反应条件:290℃,5000h-1,5.0MPa,反应结果见表1。
实施例8
称取10g Ti改性的SiC(SICAT公司提供,26m2/g),加入到盛有100ml稀盐酸水溶液(10%)的烧杯中,加热至沸腾并保持1h,期间不断用玻璃棒搅拌以防暴沸。然后用去离子水洗至PH=7-8。所得固体于110℃干燥过夜,650℃焙烧4h。称取所得样品2.0g,加入到含有一定量RhCl3,MnCl2,LiCl的混合水溶液,晾干后,110℃干燥4h,350℃焙烧4h,所得催化剂记为H。催化剂组成Rh 0.5wt%;Mn 0.5wt%;Li 0.02wt%.
催化剂的评价同实施例1,反应结果见表1。
实施例9
将10g SiC(SICAT公司提供,26m2/g)于550℃焙烧4h。称取所得样品2.0g,加入到含有一定量RhCl3,MnCl2,LiCl的混合乙醇溶液,晾干后,110℃干燥4h,350℃焙烧4h,所得催化剂记为I。催化剂组成Rh 0.5wt%;Mn 0.5wt%;Li 0.02wt%.
催化剂的评价同实施例1,反应条件:290℃,5000h-1,5.0MPa,反应结果见表1.
比较例1
将称取2.0g SiC(SICAT公司提供,26m2/g)样品,加入到含有一定量RhCl3,MnCl2,LiCl的混合水溶液,晾干后,110℃干燥4h,350℃焙烧4h,所得催化剂记为J。催化剂组成Rh0.5wt%;Mn 0.5wt%;Li 0.02wt%.
催化剂的评价同实施例1,反应条件:290℃,5000h-1,5.0MPa,反应结果见表1.
比较例2
将称取2.0g硅胶(青岛海洋公司提供,226m2/g)样品,在950℃焙烧4h后,加入到含有一定量RhCl3,MnCl2,LiCl的混合水溶液,晾干后,110℃干燥4h,350℃焙烧4h,所得催化剂记为K。催化剂组成Rh 0.5wt%;Mn 0.5wt%;Li 0.02wt%.
催化剂的评价同实施例1,反应条件:290℃,5000h-1,5.0MPa,反应结果见表1.
比较例3
将称取2.0g硅胶(青岛海洋公司提供,226m2/g)样品,在1050℃焙烧4h,将所得样品加入到含有一定量RhCl3,MnCl2,LiCl的混合水溶液,晾干后,110℃干燥4h,350℃焙烧4h,所得催化剂记为L。催化剂组成Rh 0.5wt%;Mn 0.5wt%;Li 0.02wt%.
催化剂的评价同实施例1,反应条件:290℃,5000h-1,5.0MPa,反应结果见表1.
比较例4
将称取2.0g Ti改性的SiC(SICAT公司提供,26m2/g)样品,加入到含有一定量RhCl3,MnCl2,LiCl的混合水溶液,晾干后,110℃干燥4h,350℃焙烧4h,所得催化剂记为M。催化剂组成Rh 0.5wt%;Mn 0.5wt%;Li 0.02wt%.
表1 各催化剂上CO加氢反应结果
催化剂的评价同实施例1,反应条件:290℃,5000h-1,5.0MPa,反应结果见表1。
Claims (5)
1.一种用于CO加氢制C2含氧化合物的催化剂,其特征在于:其为负载型催化剂,活性组分为Rh,助剂为Mn和Li的金属或金属氧化物中的一种或二种以上,载体为SiC或掺杂的SiC;
以Rh计,活性金属Rh于催化剂中的质量含量为0.2~0.5%;以Mn计,助剂Mn含量为0.1-1%,以Li计,Li含量为0.002-0.1%;余量为载体;
所述载体SiC选用β型SiC,掺杂的SiC为Ti的氧化物掺杂的SiC;以Ti计,Ti氧化物掺杂的SiC中Ti质量含量为1-10%;
其中,掺杂的SiC的预处理方法为:
1)将SiC用稀HNO3回流1-4小时;所用HNO3的质量浓度为5-20%;
或,2)将SiC在600-1000℃空气中焙烧1-12小时;
或,3)先将SiC用稀HCl回流1-4小时;所用HCl的质量浓度为5-20%;然后再将SiC在850-1000℃空气中焙烧6-12小时。
2.一种权利要求1所述催化剂的制备方法,其特征在于:以水、甲醇或乙醇中的一种或二种以上为溶剂,以Rh、Mn和Li的硝酸盐或氯盐中的一种或二种为前驱体,采用浸渍法制备所述催化剂。
3.按照权利要求2所述催化剂的制备方法,其特征在于:当载体为SiC时,将SiC进行预处理后,再采用浸渍法制备所述催化剂;
预处理过程为下述之一:
1)将SiC用稀HNO3或HCl回流1-4小时;所用HNO3或HCl的质量浓度为5-20%;
或,2)将SiC在600-1000℃空气中焙烧1-12小时;
或,3)先将SiC用稀HNO3或HCl回流1-4小时;所用HNO3或HCl的质量浓度为5-20%;然后再将SiC在600-1000℃空气中焙烧1-12小时。
4.一种权利要求1所述催化剂在CO加氢反应中的应用,其特征在于:
1)对催化剂进行还原活化;
2)所涉及的CO加氢反应采用固定床反应器;反应温度280~330℃、反应压力1~5.0MPa、气体空速2000-15000h-1。
5.按照权利要求4所述催化剂的应用,其特征在于:催化剂使用前进行还原活化;还原条件为:还原气体为氢气或含氢混合气,还原气体中氢体积含量为10~100%,含氢混合气中其它气体为氮气或氩气中的一种或二种,温度为200~500℃,压力为0.1~1MPa,空速为500~5000h-1,时间为2~48h。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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